储能技术在风力发电系统中的应用分析

中国大唐集团有限公司宁夏分公司 张宏进

随着信息技术的不断发展，推进了储能技术的进步和应用，在风力发电系统中，储能技术可以发挥优势和作用，储存释放能量，同时，也可以调节和控制功率。风力发电技术的发展前景是立足电网运行现状，保障风电场输出功率的可控性，因此研究储能技术的应用情况具有现实意义。

1 风力发电系统中的储能技术分析

1.1 超级电容器储能技术

此系统带有较强的脉冲功率，在风力发电系统中应用超级电容器储能技术，可以适用功率大、时间短的场合。风力发电系统在电压受到外部干扰时，运作会受到此因素的影响，而超级电容器储能技术可以减少干扰程度，避免发生此类故障问题，也能显著提升风力发电系统的稳定和质量。该技术经过多年发展，现阶段已形成电容量处于1～1000F、工作电压处于10～400V、最大放电电流处于500～2000A 的系列产品，据资料显示，30MJ 是此储能系统可储能的最大值。

1.2 超导储能技术

借助超导线制作而成的线圈，暂时地储存供电中产生的磁场能量，并参照系统的发展情况，返回能量是此技术的工作原理。超导储能技术功率处于103～106kW/kg 范围内，因此技术具备较多优势，所以在风力发电系统中得到了广泛地应用，优势体现在以下几点。第一，借助此技术具备较快释放能量的速度，在能量输送过程中将能量转换的环节予以去除，提升了容量和功率。第二，此技术对比其他的储能技术，在储存能量过程中消耗的能量不多，具备较高的能量储存效率，在输送能量期间，也具备较高的送回率。第三，市面上应用的超导储能技术大多应用了超导磁储能系统，提升了电压和频率调节的精准度，在风力发电系统中可以更好地发挥作用。

1.3 飞轮储能技术

此技术在储能上是借助机械运动的方式，转换电能，并将其转换成飞轮机械运动中的动能，长期储存能量，并结合风力发电的实际情况，将能量转换为电能，满足市场的用电需求是此技术的工作原理。此技术在转换能量过程中，消耗的能量值不多，据资料调查，飞轮储能功率密度要超出5kW/kg，能量密度要大于22kWh/kg，此技术转换效率高达92%以上，再加上此技术产生的噪声不大，很少产生污染物，出现故障的频次不多，为工作人员操作和维修提供了便捷，因此，在风力发电系统中，此技术应用的范围相对较广。

1.4 蓄电池储能技术

蓄电池储能技术会利用氧化还原反应来充电和放电，电池、控制装置是此技术的组成结构，在我国风力发电系统中会经常应用此技术。

第一，铅酸电池。在储能技术发展领域，铅酸电池发展历史较早，所以对比其他技术来说要更加成熟。价格低廉、构造成本不高、技术完善、密度适中是铅酸电池的优势，虽然技术优势较多，但是电池经多年的运行，报废的电池无法深度放电，也影响了此技术的应用。

第二，镍氢电池[1]。此电池具备的优势为结构坚固稳定、具备较多充放循环次数，然而，此电池价格较高。镍氢电池不包含有毒物质，因此，在应用期间不会对外产生有害物质。基于自放电速度角度，镍氢电池要明显优于镍镉电池。

第三，锂离子电池。对环境污染较小、具备较小的自放电和较高的能量是锂离子电池的优势，但是其容易受到外部环境和技术的影响，指标往往达不到预期水准，在实际应用中寿命周期不高。锂离子电池受到维护和工艺难度的影响，无法在风力发电系统广泛地应用。现阶段发展前景相对明朗的为磷酸亚铁锂电池，因其价格低廉，对环境污染程度不大，因此风电场工作人员可以将关注目光集中在此电池应用上，再加上磷酸亚铁锂电池体积较大，可以在大型储能系统中应用。

第四，钠硫电池。随着电力技术的不断发展，市面上出现了液流和钠硫电池，此类电池发展前景明朗，被外界视作高效的电力储能电池。据调查：日本公司为推进钠硫电池的应用和发展，开发了钠硫电池的储能系统，金属钠和液态硫分别为该储能电池的负极和正极活性物质，钠硫电池凭借其优势，得到了日本政府的重视，如今，日本政府开始资助钠硫电池储能技术的开发，实施各项推进方案。我国各电力公司也逐渐将研制重心放在了钠硫电池系统上，在参照相关规范制度基础上，关注核心部件技术，推进规模化生产。

第五，全钒液流电池。此电池的正极和负极活性物质是不同价态的钒离子溶液，在电解液储罐中分别存储不同的活性物质，电解液借助泵的作用，于电极表面产生氧化还原反应，来对电池进行充电和放电。电解液的容量和密度决定着液流电池的储能容量，在充放电上相对灵活，想要增加储能容量，只需增加电解液浓度即可。

1.5 其他储能技术

抽水储能技术、氢燃料电池储能技术都属于风力发电系统经常应用的技术。抽水蓄能技术属于发展较为成熟的一项技术，在此技术应用期间，抽水蓄能电站借助风能来发电，对水势能进行存储，以供后期的用电需求。针对一些实力和规模较小的水力发电系统来说，可以结合自身条件在风电场建设抽水蓄能系统，发挥电站的功能和作用，对传统风力发电的不均匀性加以弥补，此种方式也能解决电网规模对容量的限制，还能为电网调频、解决突发事件提供方法，起到优化运行环境的作用。一般情况下，在电网调峰中会应用抽水储能技术，此技术对外界环境要求较高，在应用上容易受到地理因素和条件的影响，所以，在实际的应用中对风电场有所要求，如果未建立抽水蓄能电站，风电场则无法应用该项技术。氢燃料电池储能利用特殊的装置来转换化学能，但是此技术在运输过程中危险度较高，再加上需要的成本较高，所以应用次数不多，是各种储能技术的优劣势，见表1。

表1 储能技术的比较

2 储能系统在风力发电运用分析

在全球能源调峰的填谷时期，可以广泛地应用大型能量储能技术，如压缩空气和抽水蓄能储能技术等，这些技术可以长时间地在风力发电系统中应用。液流电池因具备较多的循环次数，再加上应用周期较长，除了在大电网调峰时期应用外，也可作为调峰储能装置的补充。氢储能技术能对富余的太阳能和风能加以存储，因此可以为燃料电池汽车提供动力。

在储能技术应用中，要了解技术发挥的作用，比如超级电容器和超导电磁储能技术能对清洁能源的波动性进行平抑，多项设备可以联合运行可再生能源，快速地反映风电的出力，在对可再生能源波动进行平抑的基础上来提升电网运作的稳定。储能行业也将目光集中在材料和技术的改进和突破上，在未来不断创新储能材料，将改革重心集中在储能元件的应用周期、成本、能量密度上，以此发挥储能技术的作用。

储能技术在新时期，面对着风力发电系统和技术的完善，建议在引进储能技术时，要考虑多个因素，关注储能技术的未来发展方向，明确技术的成熟度，也要在额定功率、环境条件、运行成本等方面对储能技术作出分析，有效地管理电能质量，保障风力发电系统发挥储能作用，要将重心集中在超级电容器储能、飞轮储能等技术上，针对性地控制和管理电能，保障风电场电压输出的平稳，在电网运行期间若发生故障问题，可以第一时间向其提供电压，保障电网运作的安全和稳定。在实际技术应用期间，要了解可以实现大功率且长周期储能的技术有压缩空气蓄能、钠硫电池和铅酸电池等。

风电厂场作人员要了解各项储能技术的优势和劣势，分析各储能技术的应用要点，当发电系统需要较大规模的储能时，可以大力推广和应用钠硫储能和液流电池储能技术，上述技术调峰功能较强，储能效果比较明显。为保障储能效果，提升风力发电系统的质量，除了应用单个储能技术外，也可结合多个储能技术使用，比如超导储能和蓄电池储能技术结合、飞轮储能和超导电容器储能技术结合（如图1所示），多种技术的融合可以发挥技术优势，加强对电能的管理，同时，也让储能系统应用更加经济，建议工作人员可以发挥储能技术优势，找到适合应用的方式，来保障现行风力发电系统的稳定。

图1 混合储能技术形式

3 风力发电系统中储能技术的应用前景分析

储能技术随着经济和科学技术的不断发展也在进步，很多储能技术都能发挥自身作用，保障风力发电系统的安全和稳定，在优化风力发电系统的同时保障其运行质量和效率，但是，各项储能技术受到推广和其他因素的影响，应用范围受到限制，其中成本太高是影响储能技术应用的因素[2]。对于风力发电场来说，应关注成本因素，实施有力对策降低成本，推进储能技术的应用和发展。

相关部门应发挥自身的监督和管理作用，同步规划储能和新能源发展规划，参照风力发电系统的运作情况和需求来制订最佳的发展方案，比如在电网输送线路期间，可以制订针对性的储能解决方案，为风力发电场提供参考。为保障发电技术的规范应用，加大并网管理力度，政府可以出台和储能技术以及并网管理相关的技术文件和标准制度，要求电网企业参照入网标准，针对符合要求的电能要全额接收，针对发电预测误差较大，电能质量不佳的发电，要视情况进行选择性地接收。政府也可加大资金投放力度，建设储能示范项目，为企业提供实践机遇，同时，也能引导储能企业积累技术，为后续系统的运作提供经验。在示范项目建设上，要关注各项储能技术的性能，作出综合评估，参照风力发电系统的用途选择合理的技术。此外，政府可以鼓励储能企业对各项技术进行研发，鼓励企业的自主创新，占据市场先机掌握自主知识产权。可以在国家科技重大专项中列入储能技术研究，引导储能企业不能在技术出现问题后才考虑技术研制和加大投入，对各项技术的研究要超前需求发展，以此顺应风力发电系统的运作要求。

4 结论

对于风力发电行业来说，不同的储能技术因特点和优势不同，因此在风力发电系统中发挥的作用也有所不同，风力发电场要了解技术优势和应用要点，结合风力发电系统运作情况和用电需求，选择适合的储能技术，从而在保障发电效率的同时，降低应用成本，为风力发电系统的运行和发展保驾护航。